電容式感應(yīng)工作原理及設(shè)計(jì)分析

電容式感應(yīng)的工作原理

那么，電容式感應(yīng)的工作原埋是什么呢?下面的示意圖顯示了1個(gè)電容式感應(yīng)按鈕的橫截面。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導(dǎo)電的銅塊區(qū)域和導(dǎo)電的傳感器。在2個(gè)導(dǎo)電元件相互之間靠得很近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電容值，本圖中標(biāo)為Cp，這個(gè)電容值是由于傳感器墊板與接地板之間的耦合現(xiàn)象而形成的。Cp屬于寄生電容，典型數(shù)量級(jí)任10pF至300pF。傳感器與接地板靠近時(shí)也會(huì)形成一個(gè)邊緣電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)能夠穿透外覆層?；旧?，人體組織也屬于導(dǎo)電體。將一根手指放存邊緣電場(chǎng)附近時(shí)，就會(huì)增加這個(gè)電容系統(tǒng)的導(dǎo)電表面面積。

但是，這個(gè)在圖中標(biāo)為CF的附加手指電容值的數(shù)量級(jí)在0.1pF至10pF。雖然一根于指的存在會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當(dāng)小的。而傳感器的測(cè)得電容值稱為CX。在沒(méi)有手指存在的情況下，CX基本上等于CP。而在于指存在時(shí)，CX則為CP和CF的和。

圖1 手指電容值

電容式感應(yīng)的設(shè)計(jì)方案

在我們了解了電容式感應(yīng)的工作原理后，如何開始設(shè)計(jì)某一特定產(chǎn)品的電容式感應(yīng)界面呢?我們重點(diǎn)要考慮到設(shè)計(jì)方案的需要。這個(gè)產(chǎn)品將用在什么地方?使用環(huán)境嚴(yán)苛嗎?這項(xiàng) 設(shè)計(jì)中最重要的因素是電池的使用時(shí)間還是產(chǎn)品的耐久性?不同的因素對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響也各不相同。

根據(jù)正在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品類型，功耗可能是關(guān)鍵因素，也可能不是關(guān)鍵因素。例如，在由電池供電的手持設(shè)備上，功耗具有極為重要的意義。而一種對(duì)
整體平均功耗即電池使用時(shí)間進(jìn)行控制的方式是設(shè)立3個(gè)不同的工作區(qū)域。 一個(gè)工作區(qū)域是快速響應(yīng)區(qū)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)傳感器每200微秒掃描一次。系統(tǒng)會(huì)在按鈕和滑動(dòng)觸摸處于連續(xù)操作狀態(tài)下進(jìn)入這一區(qū)域。在操作很少或無(wú)操作時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)入一個(gè)慢速響應(yīng)區(qū)，將掃描頻率減少到大約每100毫秒1次。最后，如果在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有操作，則系統(tǒng)可以進(jìn)入深度休眠模式，從而節(jié)省電力。通過(guò)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、慢速響應(yīng)模式，在便攜手持設(shè)備每100秒掃描3個(gè)按鈕的情況下，系統(tǒng)的耗電量可以低于50μA的平均電流。

在當(dāng)今的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，噪聲也成為另-項(xiàng)重要的考慮因素。各類感應(yīng)噪聲，諸如來(lái)自電力線路的噪聲，以及來(lái)自移動(dòng)手機(jī)或日光燈的輻射噪聲，無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在，所以必須加以考慮。為了進(jìn)行有效防范，我們的目標(biāo)是增加信噪比，并消除虛假觸摸響應(yīng)。

在設(shè)計(jì)信噪比、耐久性、靜電放電抵抗力以及精確度時(shí)，所選擇的外覆層材料以及外覆層厚度具有很大的影響。而且，在考慮材料的類型和厚度時(shí)，必須根據(jù)產(chǎn)品的需要，在許多方面采取折衷方式。隨著外覆層材料厚度的增加，信號(hào)和噪聲兩方面均會(huì)減少。但是，外覆層材料越厚，則對(duì)于靜電放電的抵抗力就越強(qiáng)。人體的靜電電壓可以高達(dá)15 KV，而電容式感應(yīng)系統(tǒng)的外覆層有助于避免集成電路在遭受此類靜電放電時(shí)發(fā)生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強(qiáng)靜電放電保護(hù)的應(yīng)用中能夠發(fā)揮良好的作用。當(dāng)然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。